觀天巨網匯于懷柔子午工程總部：席卷全球的超級地磁暴何以被看見？

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編者按：

3月26日，2026年中關村論壇·國家重大科技基礎設施開放共享論壇暨懷柔綜合性國家科學中心重大成果發布會在懷柔科學城舉行，集中發布了8項懷柔科學中心具有代表性的重大突破性成果。其中，中國科學院國家空間科學中心團隊依托子午工程取得的成果引人注目，該研究揭示了2024年5月極端地磁暴期間電離層的完整響應機制，并在全球尺度上發現了南北半球響應的不對稱性。

觀天巨網匯于懷柔子午工程總部：席卷全球的超級地磁暴何以被看見？

2024年5月10日中國氣象微信視頻直播地磁暴出現的極光畫面

地磁暴，一個離大部分普通公眾十分遙遠的天文學名詞。提及這個詞，首先映入大眾腦海的是太陽風與地球磁場激烈交鋒時在夜空中流動的絢麗色彩——極光。

然而，地磁暴帶來的遠不止這些。在美麗極光的背后，電離層電子密度的劇烈變化，悄無聲息地影響著普通人的生活：短波通信用戶可能發現頻道大面積中斷、換頻率也無濟于事；依賴精密導航作業的農業機械會出現定位偏差，播種行列無法保持筆直。

2024年5月，一場超級地磁暴席卷全球。中國科學院國家空間科學中心研究團隊以此為契機，依托國家重大科技基礎設施子午工程二期監測網多種電離層探測設備，為上述現象背后的物理機制提供了完整的觀測證據，首次系統記錄并分析了中低緯地區觀測到電子密度近乎消失的極端負相變化，并在全球尺度上揭示了南北半球響應的明顯不對稱性，完整厘清了從磁層能量注入到熱層成分擾動、再到電離層極端變化的因果鏈條。

消失的“鏡子”

地球上空60~1000公里的高空，存在一層充滿自由電子的大氣層，科學家稱之為電離層。對于無線電波來說，它就是一面天然的“鏡子”，能夠反射或折射信號，讓信號繞過地平線傳播至遙遠的另一端，支撐著人類的短波通信與長波導航，亦會對穿透它的衛星通信和導航信號質量產生影響。

然而，這面“鏡子”并非堅不可摧。強烈的地磁暴會打破電離層的平衡，導致電子密度驟降，鏡子隨之“破碎”。

“我們早就預計到5月10日左右會有很強的地磁暴發生。”中國科學院國家空間科學中心研究員陳艷紅回憶道，早在事件發生前，已經爆發了好幾次大級別太陽耀斑，團隊立即與子午工程團隊聯動，提前啟動了加密觀測，專門捕捉這次事件期間的數據。

然而，分析數據時，反常的數值讓在場的科研人員一頭霧水。當時團隊畫了地圖，預先設定了坐標軸的數值范圍，但這次電離層電子密度下降的幅度，已經超出了坐標軸的下限，“大家第一反應是數據出問題了”。

反復核查后，研究人員發現數據沒有任何問題，而是電離層的電子密度出現了極端程度的驟降。

清晰的因果鏈條就此浮現——地磁暴發生時，高能粒子在極區沉降并加熱高層大氣，使底層富含氮氣分子的空氣被抬升至電離層高度。由于氮氣分子會加速電子與離子的復合過程，電子被更快消耗，導致電離層電子密度下降。同時，磁暴產生的擾動電場將等離子體向低空輸運，使電子進入分子更密集的區域，進一步增強其消耗速率。在這兩種機制的共同作用下，原本能夠反射無線電信號的電離層迅速變弱，甚至出現“消失”的現象。那面反射或折射信號的“鏡子”，便在無聲之中變薄，乃至消失。

波折中的意外收獲

基于中國地區的觀測數據，團隊梳理出了完整的鏈條，并將這一發現整理成文。然而，成果發表的路上，一波三折。

稿件投出后，審稿專家給出了直接而犀利的意見：僅憑中國地區的觀測數據不夠，需要結合全球變化進行更系統的分析，此外，還需要加入數值模擬，陳艷紅分享道：“審稿專家也表示，這個修改難度很大。”

那段時間，團隊沉默了很久。但陳艷紅思來想去，覺得放棄意味著前功盡棄：“專家提的意見只是做起來很難，但并不是不能做。”

于是過完年后，她把幾年前做全球數據分析的程序翻了出來。“我把程序調出來一跑，發現還能跑，當時很高興。”重新收集數據、引入多顆衛星的觀測結果、補做數值模擬、閱讀大量關于這次及歷史磁暴事件的文獻……在原有基礎上，團隊齊心協力，一點點啃下幾乎不可能完成的修改，將文章內容擴充了整整兩三倍。

這次深挖帶來了意想不到的收獲。在全球尺度上，雖然磁暴發生時南北半球都有低氧氮比向赤道擴展并且電子密度大幅下降的現象，但南北半球的電離層恢復節奏明顯不同步，其原因在于夏冬半球之間本就存在背景中性風，會引起北半球夏季高層大氣中氧氮比([O]/[N?])低于南半球，因此南半球低氧氮比區域會在這個背景中性風作用下迅速吹散，使電子密度加快恢復；北季半球則恰恰相反，擾動因此得以長時間維持。多顆衛星的觀測數據與數值模擬共同證實了這一推斷，讓南北不對稱性從現象描述上升為有據可查的科學結論。“第二輪審稿時，專家幾乎沒有提出新的修改要求”，那道曾經“幾乎不可能完成”的難題，推動著研究從單一視角擴展至全球視野，形成了更完整、更具價值的研究。

2024年特大地磁暴期間子午工程捕捉到中國地區TEC顯著降低和高頻電波信號中斷

守望地球空間的“眼睛”

這一發現，離不開多雙守望地球空間的“眼睛”，它們都依托于我國空間天氣領域的重大科技基礎設施——子午工程。子午工程一期與二期在全國布設了三十余個觀測臺站，覆蓋電離層、磁層等多個圈層，形成一張從地面實現對日地空間環境全圈層、多要素綜合的立體式探測網絡。

在這次超級地磁暴的研究中，子午工程二期監測網幾乎調動了所有主要設備：遍布全國的GNSS電離層TEC與閃爍監測儀、多個臺站的測高儀、非相干散射雷達、雙通道光學干涉儀……不同的儀器從不同角度、高度、物理量出發，提供了多圈層、多參數的復雜數據集，助力科研人員共同描繪出這場空間風暴的完整輪廓。“這些是支撐我們物理機理解釋的關鍵，也希望我們這次研究產生的觀測數據成為更多青年科研人員的靈感源頭”，陳艷紅說。

團隊下一步的目標是在對電離層磁暴響應機制理解日益深入的基礎上，建立一套可以提前預報磁暴后電離層變化的預報模型，讓這些來之不易的科學認知，真正轉化為對通信、導航等應用領域的切實保障。

子午工程分布于全國，其核心中樞落地于懷柔科學城。中國科學院國家空間科學中心懷柔園區里，子午工程綜合信息與運控中心承擔著運行管理、數據匯聚與國際合作等核心功能。正是這一體系的長期積累與持續投入，使中國科學家得以在關鍵時刻拿出自己的數據，在科學前沿持續深扎、向遠生長。

來源：懷柔科學城公眾號

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